คลิปทางช้างเผือก จุดศูนย์ถ่วงและสมดุล ถ้วยน้ำไม่หก

วันอังคารที่ผ่านมาผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆมาครับ เด็กประถมได้ดูคลิปถ่ายทางช้างเผือก ได้เรียนรู้ว่าดวงอาทิตย์เราเป็นเพียงดาวหนึ่งในนับแสนล้านดวงที่โคจรรอบๆกันเป็นแกแล็กซี่ทางช้างเผือก และในจักรวาลที่เราอยู่ก็มีแกแล็กซี่อีกนับแสนล้านแกแล็กซี่ ได้เรียนรู้ว่าถ้าจุดศูนย์ถ่วงอยู่นอกฐานรับน้ำหนักจะล้ม และได้ใช้หลักการจุดศูนย์ถ่วงนี้เรียงบล็อกไม้และไพ่ให้ยื่นออกมาจากฐานหรือขอบโต๊ะเยอะๆ เด็กอนุบาลสามได้รู้วิธีประดิษฐ์อุปกรณ์ขนส่งถ้วยน้ำให้น้ำหกยากๆด้วยหลักการแรงโน้มถ่วงเทียม

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมต่างๆอยู่ที่นี่นะครับ กิจกรรมคราวที่แล้วเรื่อง “เล่นปล่อยรถของเล่นเข้าเป้า แรงโน้มถ่วงเทียมกันน้ำหก” ครับ รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ผมถามเด็กประถมว่ารู้จักทางช้างเผือกไหม หลายๆคนรู้จักว่าเป็นแถบขาวๆบนท้องฟ้า เห็นเวลาไปค่ายธรรมชาติ แต่เด็กๆไม่ค่อยแน่ใจว่ามันคืออะไรผมเลยให้เด็กๆประถมดูคลิปวิดีโอทางช้างเผือกที่ถ่ายทำมาแบบ Time-Lapse คือถ่ายภาพทุกๆหลายนาทีแล้วเอาภาพมาต่อๆกันเป็นวิดีโอเคลื่อนไหว ภาพเหล่านี้ถ่ายด้วยกล้องที่รับแสงเป็นเวลานานทำให้มองเห็นดาวที่ไม่สว่างพอที่เราเห็นด้วยตาเปล่าด้วย:

The Beauty of the Milky Way from Alan Dyer on Vimeo.

ผมบอกเด็กๆว่าจุดสว่างๆแต่ละจุดคือดาวฤกษ์อย่างดวงอาทิตย์เราเลยนะ ทางช้างเผือกหรือ Milky Way Galaxy คือกลุ่มดาวนับแสนล้านดวงวิ่งโคจรรอบๆกันเพราะมันดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วง ตรงที่เราเห็นขาวๆพาดเป็นทางคือบริเวณใกล้จุดศูนย์กลางที่ดาวต่างๆโคจรรอบ แถวๆนั้นมีจำนวนดาวมากมายและหนาแน่นและห่างไกลจากเราทำให้เราไม่เห็นดาวแยกเป็นดวงๆ ให้เด็กๆคิดถึงไข่ดาวแบนๆที่มีไข่แดงตรงกลางและมีไข่ขาวรอบๆ พวกเราบนโลกอยู่แถวๆไข่ขาวห่างจากตรงกลางมาสักครึ่งหนึ่งของไข่ขาว บริเวณที่เราอยู่มีดวงดาวไม่หนาแน่นเท่าแถวกลางๆ 

ตำแหน่งดวงอาทิตย์ (Sun) อยู่แถวไหนในทางช้างเผือก (ภาพจาก http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/milkyWay.html)
ตำแหน่งดวงอาทิตย์ (Sun) อยู่แถวไหนในทางช้างเผือก (ภาพจาก http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/milkyWay.html)

ทางช้างเผือกเป็นเพียงกาแล็กซี่อันหนึ่งในนับแสนล้านอันในจักรวาลที่เราสังเกตเห็นครับ เราประมาณจำนวนกาแล็กซี่ได้จากวิธีเช่นในคลิปนี้:

คือใช้กล้องโทรทัศน์ Hubble ส่องไปในทิศทางต่างๆ บริเวณที่กล้องส่องมีขนาดไม่ใหญ่ สามารถหยิบเม็ดทรายแล้วเหยียดมือไปบังบริเวณนั้นๆได้ พบว่าจะเห็นกาแล็กซี่จำนวนเป็นพันเป็นหมื่นเลยครับ

หลังจากเด็กๆได้ดูคลิปแล้ว เราก็มาเล่นเกี่ยวกับจุดศูนย์ถ่วงกัน 

ถ้าเราหยิบของมาแล้วจินตนาการว่ามันประกอบด้วยส่วนย่อยชิ้นเล็กๆเต็มไปหมดโดยที่แต่ละชิ้นเล็กๆก็มีน้ำหนักของมัน จุดศูนย์ถ่วงก็คือตำแหน่งเฉลี่ยของส่วนย่อยต่างๆโดยคำนึงถึงน้ำหนักของส่วนย่อยด้วย เช่นถ้าเรามีไม้บรรทัดตรงๆที่มีความกว้างความหนาและความหนาแน่นเท่ากันทั้งอัน จุดศูนย์ถ่วงมันก็อยู่ที่ตรงกลางไม้บรรทัด ถ้ามีลูกบอลหนักสองลูกต่อกันด้วยไม้แข็งเบาๆโดยที่ลูกบอลหนึ่งหนักกว่าอีกลูก จุดศูนย์ถ่วงก็จะอยู่บนเส้นที่ลากผ่านลูกบอลทั้งสอง แต่ใกล้ลูกบอลหนักมากกว่า

วิธีหาจุดศูนย์ถ่วงของอะไรที่มีลักษณะยาวๆก็ทำได้ดังในคลิปที่ผมเคยถ่ายไว้ในอดีตครับ:

สังเกตว่ามือที่ห่างจากจุดศูนย์ถ่วงมากกว่าจะมีแรงกดบนมือน้อยกว่า ความฝืดน้อยกว่าทำให้มือนั้นเริ่มขยับก่อน มือทั้งสองจะผลัดกันขยับโดยที่มือที่ห่างจากจุดศูนย์ถ่วงมากกว่าจะเป็นมือที่ขยับ จนในที่สุดมือทั้งสองก็จะไปเจอกันใต้จุดศูนย์ถ่วงครับ

การทดลองอีกอันก็คือเราไปยืนให้ส้นเท้าและหลังติดกับผนัง แล้วพยายามก้มลงเก็บของที่พื้นโดยไม่งอเข่า เราจะล้มเมื่อพยายามทำอย่างนั้น เพราะเมื่อเราก้มโดยที่เราไม่สามารถขยับน้ำหนักไปข้างหลัง (เพราะหลังติดกำแพงอยู่) จุดศูนย์ถ่วงของเราจะล้ำไปข้างหน้า อยู่ข้างหน้าเท้าของเรา แล้วตัวเราก็จะเริ่มเสียสมดุลย์แล้วล้มในที่สุด (คลิปในอดีตครับ):

ถ้าเราสังเกตเวลาเราก้มตัวเก็บของ เราจะมีบางส่วนของร่างกายอยู่แนวหลังเท้าและบางส่วนอยู่แนวหน้าเท้าเสมอ เพราะไม่อย่างนั้นเราจะล้มเนื่องจากจุดศูนย์ถ่วงอยู่นอกบริเวณรับน้ำหนักที่เท้าครับ

ต่อไปเราก็เอาบล็อกไม้หรือไพ่มาเรียงซ้อนๆกันโดยให้เหลื่อมๆกันจนบล็อกไม้หรือไพ่บนสุดยื่นออกไปจากอันล่างเยอะๆครับ:

จะเห็นได้ว่าชิ้นบนสุดจะเหลื่อมออกมาจากฐานได้เกือบครึ่งความยาว แต่ชิ้นต่อๆไปจะเหลื่อมน้อยลงเรื่อยๆ การวางแบบนี้ทำให้ไม้หรือไพ่แต่ละชิ้นอยู่ใต้จุดศูนย์ถ่วงโดยรวมของไม้หรือไพ่ทั้งหมดที่อยู่ด้านบนของมัน จึงยังทรงตัวอยู่ได้ 

นี่คือบรรยากาศการพยายามวางไพ่ของเด็กๆครับ:

วิธีคำนวณว่าควรจะวางอย่างไรดูได้ในคลิปนี้ครับ (สำหรับม.ปลายหรือมหาวิทยาลัยนะครับ) สรุปก็คือให้วางเหลื่อมกันเป็น 1/2, 1/4, 1/6, 1/8, 1/10, 1/12 … ของความยาวไม้หรือไพ่ครับ:

สำหรับเด็กอนุบาลสามผมสอนให้ประดิษฐ์อุปกรณ์ช่วยถือแก้วน้ำหรือชามซุปให้หกยากๆครับ

เราสามารถประดิษฐ์อุปกรณ์ช่วยถือของแบบนี้ได้ง่ายๆด้วยของในบ้านครับ หาถาดหรือตะกร้าและเชือกมาก็ทำได้แล้ว ผมเคยบันทึกไว้ในรายการเด็กจิ๋ว & ดร.โก้ครับ:

สาเหตุที่น้ำไม่หกลงมาก็เพราะว่าการที่เราแกว่งแก้วไปมาอย่างนั้น ก้นแก้วจะเป็นตัวบังคับไม่ให้น้ำเคลื่อนที่ไปอย่างอิสระออกไปจากวงหมุน (เนื่องจากน้ำมีความเฉื่อย เมื่อมันเคลื่อนที่อย่างไรมันก็จะอยากเคลื่อนที่ไปอย่างเดิมด้วยความเร็วเดิม จนกระทั่งมีแรงมากระทำกับมัน ถ้าไม่มีก้นแก้วมาบังคับ น้ำก็จะกระเด็นไปในแนวเฉียดไปกับวงกลมที่เราแกว่งอยู่) ผลของการที่ก้นแก้วบังคับน้ำให้เคลื่อนที่เป็นวงกลมก็คือดูเหมือนมีแรงเทียมๆอันหนึ่งดูดน้ำให้ติดกับก้นแก้ว ทำหน้าที่เปรียบเสมือนแรงโน้มถ่วง เราเลยเรียกมันว่าแรงโน้มถ่วงเทียม 

เด็กๆได้เล่นตามแบบที่ผมทำให้ดูครับ เขาตื่นเต้นที่สังเกตเห็นผิวน้ำเรียบเหมือนเป็นเยลลี่:

หลังจากเด็กๆเล่นเสร็จ ผมก็แกว่งข้ามหัวให้ดูครับ ไม่อยากทำให้เด็กๆดูก่อนเพราะถ้าเด็กๆเล่นตามแล้วพลาดจะเลอะเทอะมากครับ:

ผมไม่ได้ถ่ายคลิปวิดีโอการแกว่งข้ามหัวครั้งนี้ไว้แต่มีคลิปจากในอดีตแบบนี้ครับ:

One thought on “คลิปทางช้างเผือก จุดศูนย์ถ่วงและสมดุล ถ้วยน้ำไม่หก”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *